激光原理与应用教案

激光原理与应用教案

一. 绪论

本节课教学目标：

让学生了解激光的历史，激光形成及发展、理论体系的形成。

让学生了解激光科学的分支及激光在军事、信息技术、医疗等方面的应用；

本节课教学内容：

1．激光的概念：

激光——利用受激辐射的光放大。

LASER——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

2．激光的发现：

最早在1917年——Einstein首次预言受激辐射激光，历史上首先在微波波段实现量子放大（1953），1954年——C. H. Townes, I. P. Gorden, H. J. Zeiger 使用NH3分子射束实现Maser向更短波长进发——ammonia beam maser，1958年——A. L. Schawlow, C. H. Townes, A. M. PoxopoB提出将Maser原理推广到光波段——laser，1960年——T. H. Maiman of Bell Lab 红宝石首次实现laser l=6943Å 红光（早期的名称：莱塞、光量子振荡器、光激射器受激光，“激光”——钱学森在1963年提出。61年中国（亚洲）第一台激光器诞生在长春（长春光机所和光机学院），由王之江院士发明。

激光科学技术发展的基础学科——光谱学，物理光学，固体物理，物质结构，无线电电子学。推动力——广阔的应用领域：核聚变，加工，热处理，通讯，测距，计量，医疗可调谐性和超短脉冲——高时间、空间分辨、能量分辨。3．激光与普通光源的区别？

（1）良好的单色性。单色性指光源发射的光波长范围很小，测距。

（2）良好的方向性。激光的光束几乎只沿着一个方向传输。测距，通信。（3）高亮度。激光功率集中在极小的空间范围内。切割，手术，军事。

（4）极好的相干性。各列波在很长的时间内存在恒定的相位差。精确测距。

4．激光的应用。

（1）信息科学领域。激光雷达，空间通信。

（2）医学领域。激光穿心术，激光眼科手术，激光牙科手术。

（3）工业领域。激光切割，激光打孔，飞秒激光微加工，激光全息，激光电视。（4）能源方面。激光受控核聚变，神光装置。

（5）军事领域。低能和高能激光武器，太空武器等，激光测距。

5．激光器的组成

激光器由泵浦源，工作物质和谐振腔组成。

由外界激励源的激发在工作物质的能级之间实现粒子数反转分布是形成激光的内在依据。光学谐振腔是形成激光的外部条件。

本节课教学手段与方法：

采用多媒体形式。播放了世界上第一台激光器的发明电影短片，并采用丰富的图片总结性地讲述激光与普通光源的区别和激光广泛的应用。

第一章辐射理论概要与激光产生的条件

§1. 光的波粒二象性

本节课教学目标：

让学生光的本质及光的经典理论。

本节课教学内容：

1．光波

电磁波理论虽然使光的波动说一度占领了光学领域，但19世纪末，实践中遇到的光与物质相互作用的许多现象却无法解释，如黑体辐射、光的吸收与发射、光电效应、光化学反应等。1905年，爱因斯坦发展了普朗克的量子假说，在一种全新的物理意义上提出了光子学说。爱因斯坦认为光子既是粒子、同时又是波。光在与物质相互作用时粒子性明显，光在传播中则波动性突出。光的这种粒子性和波动性相互对立又并存的性质，叫做光的“波粒二象性”。

光波是一种电磁波，是E和B的振动和传播。习惯上把电矢量叫做光矢量。光速、频率和波长三者的关系

2．单色平面波

波面——相位相同的空间各点构成的面

平波面——波面是彼此平行的平面,且在无吸收介质中传播时,波的振幅保持不变。

单色平波面——具有单一频率的平面波。

实际上任何光波都不可能是全单色的，总有一定的频率宽度。当△v ＜＜v 0时，就叫准单色波。

简谐波——理想单色平面波

简谐波方程： 3．光子

在真空中一个光子的能量为ε ，动量为P ，则它们与光波频率，波长之间的关系：

式中h 是普朗克常数，h=6.63×10-34J •S

本节课教学手段与方法：

采用多媒体形式。用丰富的图片来说明光的经典理论。

§2. 原子的能级和辐射跃迁

本节课教学目标：

理解原子能级和简并度、原子状态的标记；

掌握玻尔兹曼分布、辐射跃迁和非辐射跃迁

本节课教学内容：

1. 原子中电子的状态由下列四个量子数来确定

（1）主量子数n ，n ＝1，2，3，…代表电子运动区域的大小和它的总能量的主

要部分。

（2）辅量子数l, 代表轨道的形状和轨道角动量，这也同电子

)(0μ

λλλνμ==⇒=υc υ)

(cos ) (cos 00c z t U t U U -=-=ωτω)22cos()(cos 00λ

ππωz T t U c z t U U -=-=k h n h n h n c h νP π

λππλ222000=⋅===h ν=ε)1(2,1,0-=n l

的能量有关。

（3）磁量子数（即轨道方向量子数）m=0，±1，±2，±l … 代表轨道在空间

的可能取向，即轨道角动量在某一特殊方向的分量

（4）自旋量子数（即自旋方向量子数）m s = ±1/2，代表电子自旋方向的取向，

也代表电子自旋角动量在某一特殊方向的分量

2. 电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态

（1）电子的能级，依次用E 0，E 1，E 2，… E n 表示

（2）基态：原子处于最低的能级状态

（3）激发态：能量高于基态的其它能级状态

3.玻尔兹曼分布

现考虑由n 0个相同原子(分子或离子)组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律 kT E i i i

e g n -∝ 分别处于E m 和E n 能级上的原子数n m 和n n 必然满足下一关系

4．辐射跃迁和非辐射跃迁

（1）辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象

（2）非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把

多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量。

本节课教学手段与方法：

采用多媒体形式。

先复习原子的四个量子数，再对简并、简并度进行定义。阐明在热平衡情况下，处于高能态的粒子数总是小于处于低能态的粒子数的这一规律。最后介绍原子的辐射跃迁和非辐射跃迁。

§3. 光的受激辐射

本节课教学目标：

了解光与物质的相互作用，掌握这种相互作用中的受激辐射过程是激光器kT E E n n m m n m e g n g n )(--=